ROZPRAWA DOKTORSKA. przedstawiona na. POLITECHNICE BIAŁOSTOCKIEJ i. UNIVERSITÉ DE RENNES 1 (thèse en cotutelle)

Transkrypt

1 Numer pracy: WI 4 ROZPRAWA DOKTORSKA przedstawiona na POLITECHNICE BIAŁOSTOCKIEJ i UNIVERSITÉ DE RENNES 1 (thèse en cotutelle) w celu uzyskania stopnia : Doktor nauk technicznych w zakresie informatyki oraz Docteur de l Université de Rennes 1 Mention: Traitement du Signal et Télecommunications przez Cezarego BOŁDAKA Jednostka polska: Jednostka francuska: Wydział Informatyki Politechniki Białstockiej Białystok, Polska Laboratoire Traitement du Signal et de l Image, INSERM, Université de Rennes 1, Rennes, France, Tytuł pracy: Wyodrębnianie i charakteryzacja 3D naczyń krwionośnych w wielorzędowym obrazowaniu tomograficznym: Zastosowanie do naczyń krwionośnych kończyn dolnych i serca Extraction et caractérisation 3D des réseaux vasculaires en imagerie scanner multibarette: Application aux réseaux des membres inférieurs et des coronaires Promotor ze strony polskiej: Leon Bobrowski dr hab., prof. PB, Polska Promotor ze strony francuskiej: Jean-Louis Coatrieux Directeur de Recherche INSERM, profesor, UR1, Francja Recenzenci: Marinette Revenu profesor, GREYC ISMRA, Francja Juliusz L. Kulikowski prof. dr hab. inż., IBIB PAN, Polska Alexander Petrovsky prof. dr hab. inż., PB, Polska Białystok, 2003

2

3 Table des matières Introduction 11 Wstęp 15 1 Les pathologies vasculaires Importance en terme de santé publique Rappels anatomiques Réseau périphérique des membres inférieurs Réseau des coronaires L athérosclérose Structure de la paroi artérielle Mécanisme de l athérosclérose Typologie d une sténose Les actions thérapeutiques Les médicaments La revascularisation instrumentale La revascularisation chirurgicale Streszczenie: Patologie naczyń krwionośnych Znaczenie patologii w ochronie zdrowia Anatomia naczyń krwionośnych Miażdżyca Akcje terapeutyczne Les modalités d observation L angiographie par rayon X La tomographie à rayon X Principe technique Le scanner hélicoïdal monobarrette Le scanner hélicoïdal multibarette ou multicoupe Limites du scanner du scanner multibarette Intérêt et applications cliniques du scanner multibarette L Angiographie par résonance magnétique Principe de l IRM Les effets de flux pour les fluides circulants

4 2.3.3 L angiographie par résonance magnétique rehaussée par injection de produit de contraste Limite de l ARM rehaussé par injection de produit de contraste Applications cliniques de l ARM rehaussé par injection de produit de contraste Comparatif: éléments techniques et cliniques Conclusion Streszczenie: Techniki obrazowania Angiografia rentgenowska Tomografia komputerowa Angiografia z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego Podsumowanie Revue bibliographique des méthodes d extraction Pré-filtrage du volume Approches basées seuillage Approches basées sur la croissance de région Approches basées sur le suivi du vaisseau Approches basées sur la morphologie mathématique Approches multirésolution ou multiéchelle Technique basée sur la connexité floue Approches basées sur les modèles déformables Modèle déformable et topologie fixe Modèle déformable et topologie adaptable Approches hybrides Conclusion Streszczenie: przegląd bibliograficzny istniejących metod segmentacji naczynia Wstępna filtracja obrazu Techniki oparte na progowaniu Techniki oparte na przyroście obszaru Techniki oparte na śledzeniu naczynia Techniki oparte na morfologii matematycznej Techniki wieloskalowe Techniki oparte na logice rozmytej Techniki oparte na modelach odkształcalnych Techniki hybrydowe i inne Podsumowanie Méthode hybride pour l extraction et la caratérisation des structures vasculaires Suivi du vaisseau par les moments géométriques Modèle du vaisseau Estimation des paramètres Algorithme de suivi original

5 4.1.4 Optimisation de la procédure de suivi Complexité de calcul Raffinement local par la technique des level sets Formulation d une fonction d évolution pour l extraction des contours Processus d extraction Application des level sets à l extraction des contours Complexité de calcul Streszczenie: Hybrydowa metoda segmentacji i charakteryzacji naczyń krwionośnych Algorytm śledzenia naczynia z użyciem momentów geometrycznych Wyodrębnianie dokładnej formy naczynia za pomocą techniki level sets Implémentation (Interface), Optimisation et Accélération algorithmique Temps de calcul et temps d extraction Algorithmes, structures de données Interpolation Reconstitution 3D de la branche après extraction par la méthode de suivi Visualisation du volume 3D Structure de données Architecture logicielle du système Processus de développement Architecture du système Interface utilisateur Chargement des image Suivi de vaisseau: phases d initialisation et d exploitation des résultats Level sets : phases d initialisation et d exploitation des résultats, interaction en temps réel Streszczenie: Implementacja (interfejs), optymalizacja algorytmiczna Czas obliczeń a czas segmentacji Algorytmy i struktury danych Architektura programowa systemu Interfejs użytkownika Évaluation de la procédure d extraction sur les réseaux des membres inférieurs et sur les coronaires Évaluation sur fantôme Recalage du modèle CAO et de la base de données Résultat

6 6.2 Évaluation sur données réelles: les réseaux périphériques des membres inférieurs Réseau sain Réseau pathologique Évaluation sur données réelles: le réseau des coronaires Extraction du réseau des coronaires Évaluation clinique de l algorithme du suivi Discussion Choix des paramètres Validation à posteriori des résultat et adaptation locale des paramètres Conclusion Streszczenie: Ewaluacja metody na naczyniach kończyn dolnych i wieńcowych Ewaluacja na bazie danych modelu fantomu Ewaluacja na obrazach rzeczywistych: sieć naczyń krwionośnych kończyn dolnych Ewaluacja na obrazach rzeczywistych: sieć naczyń wieńcowych Dyskusja Conclusion 215 Podsumowanie 218 6

7 Remerciement J exprime ma gratitude à Leon Bobrowski, Professeur et Doyen de la Faculté d Informatique de l Université de Bialystok, et Directeur de mes travaux de thèse, coté Pologne, pour m avoir permis de réaliser ma recherche dans le champ de l imagerie médicale et dans un contexte de cotutelle. Je tiens également à le remercier pour la confiance qu il a su m attribuer tout au long de cette période. J adresse mes remerciements chaleureux à Jean Louis Coatrieux, Directeur de Recherche INSERM, Directeur du laboratoire LTSI INSERM et Directeur de mes travaux de thèse, coté France, pour m avoir acceuilli dans son laboratoire et permis d effectuer ces travaux. Nos nombreuses discussions ont été source de nombreuses inspirations vers de nouvelles solutions. Je lui dois également ma motivation et ma ténacité à aller toujours plus loin. Merci aussi pour sa contribution dans ma découverte de la culture française. Je tiens également à exprimer ma profonde reconnaissance à Christine Toumoulin, Maître de Conférence à l Université de Rennes 1 et co-directrice de mes travaux de thèse, coté France, pour sa précieuse contribution dans ce travail à la fois sur les méthodes et la rédaction de ce mémoire. Je la remercie également pour l aide qu elle m a apportée pour résoudre les difficultés administratives et faciliter l organisation de mes séjours à Rennes. Je suis également reconnaissant aux rapporteurs de cette thèse, Marinette Revenu, Professeur et Responsable du groupe IMAGE au département GREYC CNRS UMR6072 de l ENSI de Caen, en France, Juliusz Kulikowski, Professeur à l Institut IBIB PAN de Varsovie et Alexander Petrovsky, Professeur à l Université Polytechnique de Bialystok en Pologne, d avoir accepté d être les rapporteurs de mon travail. Je ne saurai oublier Dominique Boulmier, Praticien Hospitalier au Département de Cardiologie et Maladies Vasculaires, Unité d Hémodynamique et de Cardiologie Interventionnelle, CHU Rennes. Son aide sur les aspects cliniques de ce travail nous a été précieuse. À travers lui, je souhaite remercier l ensemble du personnel médical. Merci enfin a toutes les personnes de la Faculté d Informatique de l Université Polytechnique de Bialystok et du laboratoire LTSI de Rennes (il m est impossible ici d énumérer tous les noms) qui m ont aidé lorsque j en avais besoin, acceuilli à mon arrivée et qui ont contribuées, de manière importante, à créer une bonne ambiance de travail. 7

8

9 Podziękowania W pierwszym rzędzie chciałbym podziękować Panu Profesorowi Leonowi Bobrowskiemu, Dziekanowi Wydziału Informatyki Politechniki Białostockiej i mojemu polskiemu promotorowi, za ukierowanie mojej pracy naukowej na komputerowe przetwarzanie obrazów medycznych i za umożliwienie mi napisanie tej rozprawy w takiej formie i pod swoją opieką. Gdyby nie ona, doktorat ten nigdy by nie powstał. Dziękuję równiez za zaufanie i wiarę we mnie, którymi mnie obdarzył. Równie gorące słowa podziękowania kieruję pod adresem Pana Profesora Jean- Louis Coatrieux, dyrektora laboratorium LTSI INSERM na Université de Rennes 1, dyrektora badań INSERM i mojego promotora ze strony francuskiej, za przyjęcie mnie w swoim laboratorium i umożliwienie pracy nad doktoratem. Liczne rozmowy z nim były dla mnie inspiracją w kierunku nowych rozwiązań i motywacją do jeszcze cięższej pracy. Dziękuję też za jego udział w poznawaniu przeze mnie kultury Francji. Chciałbym również wyrazić moją głęboką wdzięczność dla Pani Profesor Christine Toumoulin, Maître de Conférence na Université de Rennes 1 i mojej współpromotorki ze strony francuskiej, za jej cenny wkład zarówno podczas opracowywania metody będącej przedmiotem doktoratu, jak i w redagowanie samego dokumentu. Równie ważna była też jej pomoc w organizacji moich pobytów w Rennes i w przezwyciężaniu wszelkich przeszkód natury biurokratycznej. Wdzięczny jestem też recenzentom tej pracy, Pani Profesor Marinette Revenu, kierującej grupą IMAGE na wydziale GREYC CNRS UMR6072 EMSI w Caen, Panu Profesorowi Juliuszowi Kulikowskiemu z IBIB PAN oraz Panu Profesorowi Aleksandrowi Piotrowskiemu z Politechniki Białostockiej, za zaakceptowanie tej roli i ich trud włożony w ocenę mojej pracy. Nie mogę tu zapomnieć o Panu Dominique Boulmier z jednostki hemodynamiki i kardiologii interwencyjnej oddziału kardiologii i chorób naczyniowych szpitala CHU w Rennes. Jego pomoc w aspektach klinicznych tej pracy była nam ogromnie przydatna. Poprzez niego, chciałbym podziękować całemu personelowi medycznemu. Dziękuję wreszcie tym wszystkim osobom z Wydziału Informatyki Politechniki Białostockiej i laboratorium LTSI Université de Rennes 1 (niemożliwe jest tu wymienienie ich wszystkich), które przyjęly mnie gościnnie, służyły pomocą zawsze gdy jej potrzebowałem i wniosły swój znaczący udział w stworzeniu dobrej atmosfery pracy. 9

10

11 Introduction Aujourd hui, les techniques informatiques tiennent une place de plus en plus importante dans le domaine médicale et en particulier en imagerie médicale. Elles fournissent des outils qui permettent de faciliter les décisions diagnostiques et thérapeutiques. Les progrès technologiques récents en imagerie médicale ont induit des volumes d exploration de plus en plus importants. La quantité d information à traiter par le médecin est en constante progression. Aujourd hui, un examen d angioscanner des membres inférieurs fournit plus de 1000 coupes qu il s agit d observer et d interpréter. Cette interprétation est très souvent sujette à des variabilités inter-observateurs. L objectif consiste donc à proposer des algorithmes rapides pour traiter ces données ainsi que des outils pour caractériser et quantifier les pathologies. Ils doivent permettre au spécialiste de travailler dans des conditions d interactivité satisfaisantes et limiter les différences d interprétation entre observateurs. Problème majeur de santé publique, les maladies cardio-vasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays industrialisés. La prise en charge, le traitement et la prévention de ces maladies constituent des enjeux majeurs de santé publique a l échelle mondiale. L athérosclérose représente la cause la plus commune des anomalies de la paroi vasculaire. Elle correspond à une dégénérescence de la paroi artérielle qui donne naissance à des plaques athéromateuses (dépôts lipidiques de cellules musculaires lisses et de fibres) qui au dernier stade de la maladie (athériosclérose), se calcifient et rigidifient l artère. Les lésions artérielles dues à l athérosclérose s installent des années avant l apparition des premiers symptômes. Le cœur, le cerveau et les membres inférieurs sont les cibles privilégiées de cette maladie. Certains facteurs de risque augmentent la fréquence de l athérosclérose et, par conséquent, la probabilité de souffrir d un infarctus du myocarde, d un accident vasculaire cérébral ou d une atteinte des artères de jambes, l artérite. Ces facteurs de risque peuvent être des maladies pour lesquelles on dispose de traitements, comme les dyslipidémies (anomalies du cholestérol et/ou des triglycérides), l hypertension artérielle, le diabète, l obésité. Le tabagisme, la sédentarité et le comportement alimentaire favorisent également les atteintes cardio-vasculaires. D autres facteurs, comme le vieillissement, l hérédité familiale et le sexe (le sexe masculin étant plus prédisposé à cette pathologie) ne peuvent pas être contrebalancés par des traitements. 11

12 Lorsque l athérosclérose est pleinement installée, les méthodes de détection passent par des techniques d imagerie pour tenter d observer l intérieur des parois des vaisseaux et caractériser le degré de la pathologie. Ce travail représente une première étape vers la caractérisation des sténoses et des plaques d athéromes en imagerie scanner multibarrette. Le premier objectif recherché dans une étape de diagnostic de l état des réseaux ou de suivi de la pathologie artérielle est l évaluation de la perméabilité vasculaire. Elle est réalisée par une visualisation de l anatomie de la structure globale, puis locale visant la détection de sténoses (rétrécissement de l artère). La mesure de sténose reste l indicateur diagnostique le plus utilisé en clinique et doit être précise. Elle doit non seulement fournir le pourcentage de rétrécissement de l artère et en fonction de ce degré, sa valeur significative ou pas, mais aussi son lieu de naissance, son siège (artère principale ou secondaire, segment proximal, médian,... ), sa longueur, son angulation. Le diagnostic de la sténose est également associé à la détection de calcifications, l existence possible de collatérales et la qualité de son lit d aval. Le deuxième point important concerne la caractérisation de la plaque athéromateuse, quant à sa taille, sa forme géométrique, sa composition tissulaire (tissus mous, fibreux, calciques). Elle permet d apporter des informations sur le choix thérapeutique (prise de médicaments ou geste de revascularisation), sur le type de geste interventionnel (angioplastie transluminale avec dilatation de ballonnet, rotablator, pose d endoprothèse) et sur la conduite de ce geste (évitement de calcifications dans le guidage d un cathéter, choix des paramètres d un ballonnet ou d un stent,... ). L angiographie par rayons X, a été pendant plus de vingt ans la technique d observation des réseaux vasculaires. Elle reste encore aujourd hui la méthode d imagerie de référence pour déterminer la présence et la sévérité de sténoses. Elle demeure néanmoins un examen invasif avec des risques de complications évalués a 2% (infarctus du myocarde, arhymies, réaction allergique au produit de contraste,... ). Aujourd hui l IRM et le scanner multicanaux représentent deux modalités particulièrement performantes en imagerie vasculaire et extrêmement prometteuses en imagerie cardiaque. La popularité de l IRM tient au fait qu elle soit non invasive et non ionisante. Cependant, la définition spatiale des images angiographiques produites, restent encore relativement faible et limite cette technique principalement aux vaisseaux dont le diamètre est supérieur a 2 mm. Elle nécessite un compromis entre résolutions spatiale et temporelle, entraînant des temps d examen longs (supérieurs à une heure) pour une étude des artères coronaires limitée aux 5 premiers centimètres des troncs principaux, sans consensus actuel sur un protocole standardisé. Le scanner à bénéficié ces dernières années d évolutions majeures qui lui confèrent aujourd hui un rôle diagnostique de premier plan dans les explorations vasculaires. Ces perfectionnements ont inféré à plusieurs niveaux et en parti- 12

13 culier sur: (1) la qualité des images avec l amélioration des résolutions spatiale et temporelle, (2) la diminution de la durée d acquisition qui a eu pour conséquence de permettre d augmenter le volume exploré et d imager les structures en mouvement. En raison de son faible coût et de sa large diffusion, le scanner multibarette émerge actuellement parmi les techniques d imagerie non invasive. Son champ d application est étendu, permettant l étude de la lumière vasculaire, de la paroi des vaisseaux et de l environnement périvasculaire (cavités cardiaques, myocarde) lors d un examen unique. Il permet d observer les sténoses, de distinguer les plaques, de déterminer le taux de calcification (score calcique), de contrôler la perméabilité des stents et des pontages. Cette capacité de détection des anomalies vasculaires doit cependant encore s accompagner de méthodes robustes et automatiques de caractérisation et de quantification, permettant d atteindre un diagnostic fiable et reproductible. Malgré les progrès récents des traitements d image, la complexité des réseaux, la précision nécessaire dans les mesures, la présence de mouvement, rendent cette tâche d analyse difficile, d autant plus que les images sont bruitées et potentiellement porteuses de distorsions et d artéfacts. La tendance actuelle des systèmes d imagerie consistant à aller vers des acquisitions volumiques importantes, voire du corps entier, en particulier en tomodensitométrie, introduit de nouvelles exigences dans l extraction de l information sur le plan des temps de calcul. Des algorithmes ultra-rapides de détection, segmentation et quantification des vaisseaux et de leurs anomalies, sont ainsi à développer afin de permettre à l observateur de travailler dans des conditions d interactivité compatibles avec une pratique clinique (de l ordre de la seconde pour des données de plusieurs centaines de méga-octets). La plupart des systèmes de traitement d images et de visualisation 3D proposent des outils interactifs pour faciliter l analyse visuelle des bases de données 3D, mais les outils de quantification font largement appel à des tracés manuels et sont donc loin de répondre aux besoins ciblés des utilisateurs. Leur emploi demande un effort important pour tenter d extraire une structure dans un environnement non différencié c.a.d lorsque les structures environnantes se situent dans des intervalles de densité avec recouvrement (c est en particulier le cas des structures coronaires et ventriculaires). La littérature propose un certain nombre de méthodes pour segmenter les structures vasculaires. Néanmoins si les résultats apparaissent satisfaisants dans le cas de vaisseaux normaux, la présence de pathologies conduit bien souvent à des résultats incomplets ou imprécis dans la localisation et la détermination de leur forme. Ce travail a été réalisé dans le cadre d un partenariat avec la société Siemens et les services de radiologie et cardiologie interventionnelles du CHU de Rennes. Les premiers tests ont eu lieu sur les réseaux des membres inférieurs, à partir d images acquises sur un système scanner multibarrette (matériel Siemens, Somaton plus 4 volume zoom). La comparaison avec la solution développée par l équipe de Princeton (Centre de recherche et de développement Siemens, USA), a montré la supériorité de notre méthode à la fois en qualité d extraction et en 13

14 temps de calcul. Ce logiciel a ensuite été appliqué pour l extraction du réseau coronaire et le repérage des calcifications pariétales. L évaluation a porté sur 6 bases de données d angioscanner fournies par la société Siemens et a impliqué la participation de deux experts respectivement radiologue et cardiologue. Les résultats se sont avérés très encourageants au regard de l analyse manuelle, seul moyen aujourd hui utilisé pour l interprétation. La méthode d extraction présente en effet des sensibilité et spécificité élevées pour attester de la perméabilité vasculaire. Les calcifications ont été également correctement extraites ainsi qu un stent localisé sur l artère interventriculaire antérieure moyenne. Ce travail s est concrétisé par une publication à la conférence FIMH (Functional Imaging and Modeling of the Heart) en juin Le contexte étant fixé, nous pouvons introduire la trame de ce document. Le chapitre 1 aborde les mécanismes de l athérosclérose avec la décription des différents stades de la pathologie, les caractéristiques des stenoses et les solutions thérapeutiques actuelles permettant de revasculariser une artère sténosée. Le chapitre 2 introduit les modalités d observations et décrit les principes de base de l angioscanner et de l angiographie par résonance magnétique, leurs applications cliniques et leurs limites. Le chapitre 3 présente une revue bibliogaphique des techniques d extraction des réseaux vasculaires. L approche hybride retenue est décrite au chapitre 4. Elle est qualifiée d hybride car elle associe une première méthode d extraction rapide mais imprécise des contours avec une méthode plus coûteuse en temps de calcul, mais permettant d affiner les résultats. Elle représente un compromis acceptable entre temps de calcul et précision de l extraction. Le chapitre 5 expose les aspects relatifs à l implémentation informatique et en particulier les optimisations et accélérations algorithmiques, les structures de données retenues dans un objectif d optimisation en temps de calcul mais également de place mémoire. Deux familles d artères ont fait l objet d expérimentations: les artères des membres inférieurs et les coronaires. Le chapitre 6 regroupe ces expérimentations et présente une discussion sur la robustesse des méthodes par rapport aux différents paramètres introduits et des caractéristiques des images traitées. 14

15 Wstęp Współczesne techniki komputerowe odgrywają dziś ogromną rolę w medycynie praktycznie na wszystkich poziomach ochrony zdrowia: w profilaktyce, diagnostyce i leczeniu. Wspomagają one lekarzy głownie tam, gdzie wielkie i wciąż rosnące ilości danych czyniły przedtem ich pracę bardzo czasochłonną i żmudną. Jedną tych dziedzin jest obrazowanie medyczne i analiza uzyskanych w ten sposób obrazów. Choroby układu krwionośnego stanowią poważny problem ochrony zdrowia i są pierwszą przyczyną śmiertelności w krajach rozwiniętych. Ich finansowanie, leczenie i prewencja są istotnym problemem ochrony zdrowia w skali światowej. Miażdżyca jest najbardziej rozpowszechnioną chorobą ściany tętnic. Polega ona na degeneracji ściany naczynia, co daje początek tworzeniu blaszki miażdżycowej (złogi tłuszczowe komórek mięśni gładkich), która w ostatnim etapie ulega zwapnieniu i usztywnia tętnicę. Zmiany miażdżycowe rozwijają się latami przed wystąpieniem pierwszych symptomów. Do najczęściej dotkniętych organów należą serce, mózg i kończyny dolne. Pewne czynniki ryzyka zwiększają częstotliwość występowania miażdżycy i, w efekcie, prawdopodobieństwo zawału serca, udaru mózgu, niedrożności tętnic kończyn dolnych. Niektóre z tych czynników mogą być chorobami, które można poddawać leczeniu, jak nadciśnienie tętnicze, cukrzyca, otyłość. Palenie papierosów, osiadły tryb życia, nieodpowiednie żywienie również sprzyjają miażdżycy. Inne czynniki, jak starzenie się, podatność dziedziczna, płeć (mężczyźni są bardziej narażeni na tą chorobę) nie mogą być neutralizowane poprzez leczenie. Kiedy miażdżyca jest w pełni rozwoju, metody jej wykrywania opierają się na technikach obrazowania medycznego umożliwiających obserwację wnętrza ścian naczyń i ocenę stopnia choroby. Praca ta jest pierwszym etapem w kierunku oceny zwężenia naczynia i blaszki miażdżycowej z wykorzystaniem wielorzędowego tomografu komputerowego. Pierwszym celem w diagnostyce stanu układu krwionośnego i w śledzeniu rozwoju patologii jest ocena drożności naczynia. Jest to realizowane poprzez wstępną wizualizację globalną anatomii całej struktury a następnie lokalną, skupiającą się na wykrytych stenozach (zwężeniach światła tętnicy). Miara stenozy jest najczęściej wykorzystywanym wskaźnikiem diagnostycznym i musi być dokładna. Oprócz procentowego stopnia zwężenia i oceny, czy jest ono znaczące, musi ona podawać miejsce powstania patologii, jej umiejscowienie (charakter i znaczenie dotkniętej tętnicy), długość. Diagnoza stenozy jest też związana z wykrywaniem 15

16 zwapnień, możliwą obecnością naczyń zastępujacych naczynie zwężone, jakością naczynia poniżej zwężenia. Drugi ważny punkt dotyczy charakterystyki samej blaszki miażdżycowej: jej rozmiaru, kształtu, składu (tkanka miękka, włóknista, zwapniona). Pozwala to uzyskać informacje potrzebne do wyboru leczenia (farmakologiczne lub interwencyjne), ewentualnego rodzaju zabiegu oraz nawigacji podczas jego trwania (np. unikanie zwapnień przez narzędzie). Przez ostatnie dwudzieścia lat angiografia rentgenowska była głowną techniką stosowaną w obrazowaniu naczyń krwionośnych. Jeszcze dzisiaj metoda ta pozostaje punktem odniesienia w wykrywaniu i ocenie stopnia stenoz. Niestety, jest ona badaniem inwazyjnym, obarczonym ryzykiem powikłań oszacowanym na 2%. Obecnie, rezonans magnetyczny i tomografia komputerowa są dwiema technikami szczególnie użytecznymi w obrazowaniu naczyń i bardzo obiecującymi w obrazowaniu serca. Popularność rezonansu ma swoje źródło w jego nieinwazyjności i braku promieniowania jonizującego. Jednakże rozdzielczość przestrzenna uzyskanych obrazów angiograficznych pozostaje jeszcze dość niska i ogranicza zastosowanie tej techniki do tętnic o średnicy powyżej 2 mm. Ponadto wymaga kompromisu pomiędzy rozdzielczością przestrzenną i czasową, powodując długi czas akwizycji (powyżej 1 godziny) a w przypadku naczyń wieńcowych ogranicza się do 5 pierwszych cm głównych gałezi. Brak też jest zgody co do standardowego protokołu. Dzięki ewolucji technologicznej, jaką przeszedł tomograf komputerowy w ciągu ostatnich lat, jest on dziś pierwszoplanowym narzędziem diagnostycznym w obrazowaniu naczyniowym. Wśród modyfikacji szczególnie istotne są: (1) poprawa jakości obrazu (lepsza rozdzielczość przestrzenna i czasowa), (2) zmniejszenie czasu trwania akwizycji, co pozwoliło na zwiększenie obszaru obrazowania i obserwacja organów w ruchu. Poprzez swój niski koszt i szerokie rozpowszechnienie, tomograf wielorzędowy wyróżnia się wśród nieinwazyjnych technik obrazowania. Jego zastosowania są liczne i umożliwiają analizę światła naczynia, jego ścianki i otoczenia (mięsień sercowy, komory serca) w ramach jednego badania. Możliwa jest obserwacja stenoz, wyróżnienie blaszki miażdżycowej, określenie współczynnika zwapnienia, kontrola drożności stentów i naczyń wszczepionych. Te możliwości wykrywania anomalii naczyniowych muszą jednak iść w parze z wydajnymi i automatycznymi technikami charakteryzacji i oceny, umożliwiającymi wiarygodną oraz powtarzalną diagnozę. Pomimo postępu, jaki się dokonał w dziedzinie przetwarzania obrazów, złożoność struktury układu krwionośnego, wymagana dokładność pomiarów oraz obecność ruchu czynią to zadanie dość trudnym, zwłaszcza na skutek zakłoceń w sygnale obrazu a także potencjalnych zniekształceń i artefaktów. Obecna tendencja w systemach obrazowania idzie w kierunku akwizycji dużych obszarów, nawet całego ciała, szczególnie w tomografii, i przyności nowe wymagania co do czasu przetwarzania tej informacji. Potrzebne są więc bardzo szybkie algorytmy wykrywania i charakteryzacji naczyń a także ich anomalii, które powolą operatorowi na pracę w warunkach interaktywności porównywalnej z praktyką kliniczną (czas odpowiedzi rzędu sekund dla danych idących w setki megabajtów). 16

17 Większość istniejących systemów przetwarzania obrazów i trójwymiarowej wizualizacji proponuje interaktywne narzędzia ułatwiające wzrokową analizę baz danych 3D, ale techniki pomiarowe odwołują się głównie do ręcznego oznaczania żądanych struktur i są dalekie od wymagań stawianych przez użytkowników. Ich wykorzystanie wymaga znacznego wysiłku aby wyodrębnić obiekty analizy, zwłaszcza jeśli umiejscowione są w trudnym otoczeniu, np. gdy jego intensywność pokrywa się z intensywnością badanego narządu (jest to w szczególności przypadek naczyń wieńcowych i komór serca). Literatura oferuje pewną liczbę technik segmentacji naczyń krwionośnych, jednak jeśli ich rezultaty wydają się satysfakcjonujące w przypadku naczyń zdrowych, to obecność patologii prowadzi do wyników niepełnych lub niedokładnych w ich umiejscowieniu i określeniu ich kształtu. Praca ta została zrealizowana we współpracy z przesiębiorstwem Siemens i z oddziałami radiologicznym i kardiologicznym szpitala CHU w Rennes we Francji. Pierwsze zastosowania zaproponowanej metody dotyczyły naczyń krwionośnych kończyn dolnych na podstawie obrazów uzyskanych poprzez wielorzędowy tomograf komputerowy Siemens Somaton plus 4 volume zoom. Porównanie z rozwiązaniami opracowanymi przez ekipę z Princeton (centrum badań i rozwoju Siemensa, USA) wykazało przewagą naszej metody zarówno w jakości jak i czasie segmentacji. Następnie zastosowaliśmy wytworzone narzędzie do wyodrębniania naczyń wieńcowych i ich zwapnień. Ewaluacja została przeprowadzona na 6 angiograficznych bazach danych zapewnionych przez towarzystwo Siemens i w obecności dwóch ekspertów: radiologa i kardiologa. Wyniki okazały się bardzo obiecujące w porównaniu z analizą manualną, jedyną używaną dzisiaj w praktyce klinicznej. Metoda ta wykazuję się wystarczającą precyzją do badania drożności naczyń. Istniejące zwapnienia oraz stent zostały poprawnie zlokalizowane. Wyniki tej ewaluacji zostały opublikowane na konferencji FIMH (Functional Imaging and Modeling of the Heart) w czerwcu 2003 roku. Organizacją tej pracy jest nastpępująca: Rozdział 1 wprowadza w mechanizm miażdżycy z opisem róznych etapów jej rozwoju, przedstawia najczęściej wykorzystywane charakterystyki stenoz oraz używane obecnie sposoby leczenia umożliwiające przywrócenie krążenia. Rozdział 2 opisuje techniki obrazowania ze szczególnym uwzględnieniem zasad działania angiografii z wykorzystaniem tomografu komputerowego i rezonansu magnetycznego, ich zastosowań klinicznych i ograniczeń. Istniejące w literaturze metody segmentacji naczyń krwionośnych przedstawione są w rozdziale 3. Zaproponowana metoda hybrydowa zastosowana opisana jest w rozdziale 4. Nosi ona nazwę hybrydowa, gdyż łączy dwie metody: szybką ale nieprecyzyjną w obecności patologii oraz wolniejszą, umożliwiającą uszczegółowienie wyników segmentacji naczyń chorych. Rozdział 5 poświęcony jest aspektom informatycznym, a w szególności optymizacji algorytmicznej i wykorzystanym strukturom danych. Wyniki eksperymentów na dwóch rodzinach naczyń (tętnicach wieńcowych oraz tętnicach kończyn dolnych) zaprezentowane są w rozdziale 6, podobnie jak i dyskusja nad jakością segmentacji w zależności od doboru różnych parametrów metody i od charakterystyki przetwarzanych obrazów. Każdy z rozdziałów (napisany w języku francuskim) zakończony jest jego streszczeniem w języku polskim. 17

18 Tezy pracy Hybrydowa metoda segmentacji trójwymiarowych obrazów angiograficznych podnosi jakość uzyskiwanych wyników oraz pozwala na szybką analizę naczyń zdrowych zapewniając jednocześnie wymaganą dokładność analizy naczyń patologicznych. System implementujący metodę hybrydową usprawnia graficzną i interaktywną nawigację w obrazach wejściowych, inicjalizację obliczeń i kontrolę nad ich przebiegiem, wreszcie prezentację wyników. Zadania pracy doktorskiej: 1. Opracowanie algorytmu szybkiego śledzenia naczyń krwionośnych w oparciu o cylindryczny model naczynia z uwzględnieniem ograniczeń napotykanych w patologiach. 2. Opracowanie algorytmu uwożliwiającego uszczegółowienie wyników śledzenia w sytuacji, kiedy założenie poprzedniego modelu nie są spełnione (zniekształcenia naczynia wskutek patologii) zastosowanie techniki level sets. 3. Zaprojektowanie i implementacja systemu informatycznego wykorzystującego powyższe algorytmy i mogącego służyć w diagnostyce klinicznej. 4. Ocena jakości segmentacji i charakteryzacji w przypadku symulowanych i rzeczywistych baz danych (naczynia kończyn dolnych, naczynia wieńcowe). Tryb cotutelle rozprawy Praca ta została przygotowana w trybie wspólnej opieki promotorskiej (fr. cotutelle) na dwóch uczelniach: Université de Rennes 1 we Francji i Politechnice Białostockiej. Umowa podpisana przez rektorów obu uczelni precyzuje m.in. język przygotowanej rozprawy. Zgodnie z tą umową rozprawa została przygotowana w języku francuskim a streszczenia rozdziałów w języku polskim. 18

19 Chapitre 1 Les pathologies vasculaires 1.1 Importance en terme de santé publique Les maladies cardiovasculaires représentent aujourd hui la première cause de mortalité dans les pays développés. Selon l étude de Framingham, leur taux de morbidité et de mortalité sont respectivement de 28.7 et 3.1 pour 1000 habitants. En France, elles ont été responsables de décès en Aux États-Unis, elles affectent 1.5 millions de personnes et sont responsables de décès par an. Elles recouvrent de nombreuses affections liées a l atteinte de l appareil cardiovasculaire et aux conséquences de ses dysfonctionnements sur l ensemble des tissus de l organisme. Les organes-cibles des maladies cardiovasculaires sont le cœur (fonction-pompe, fonction rythmique), le cerveau, les poumons, le rein et les artères des membres inférieurs. Ces pathologies vasculaires sont polyfactorielles, et leurs facteurs de risque se situent à la fois dans l environnement, les habitudes alimentaires et l hygiène de vie. Si certains de ces facteurs ne sont pas modifiables et apparaissent indépendants de l individu, comme l âge, le sexe et l hérédité (facteurs de risque intrinsèques ou constitutionnels), d autres dépendent directement du mode de vie (facteurs de risque extrinsèques ou acquis): hypertension artérielle, tabagisme, mode d alimentation, excès de cholestérol, sédentarité, diabète, surcharge pondérale. 1.2 Rappels anatomiques Les vaisseaux se subdivisent en trois catégories: les artères, les capillaires et les veines. Les artères transportent le sang en provenance du cour vers les organes et les tissus pour les alimenter alors que les veines convoient le sang vers le cœur pour le purifier. Les capillaires sont les plus petits vaisseaux sanguins. Ils se situent aux extrémités entre les artères et les veines et sont en contact direct avec les cellules. Leur rôle est d alimenter ces cellules en nutriments. Ils mesurent en moyenne 1mm de long et leur calibre moyen est de 8 a 10 µm. Nous nous intéresserons ici au réseau artériel et plus particulièrement à leur 19

20 pathologie. Selon leur taille et leur structure, les artères se divisent en trois groupes: les artères élastiques, les artères musculaires et les artérioles. Les artères élastiques comprennent les gros vaisseaux situés près du cœur: aorte, tronc brachio-céphalique, artères sous-clavières ainsi que les artères pulmonaires. Ces artères sont celles qui ont le plus gros diamètre (entre 1 et 2 cm) et la plus grande élasticité. Cette élasticité leur permet de supporter et compenser de grandes fluctuations de pressions: elles se dilatent et se contractent pour préserver la même pression sanguine quelle que soit la phase du cycle cardiaque (systole ou diastole) et assurer un débit constant dans les autres artères. Si ces artères ne jouent plus leur rôle de régulation de pression, les parois des autres artères sont alors soumises à une plus forte pression. Fragilisées, celles ci peuvent à la longue gonfler puis éclater. Les artères élastiques donnent naissance aux artères musculaires. Cellesci de moyen calibre, sont les ramifications des troncs artériels précédents (artères radiales, fémorales, tibiales, mammaires internes). Ce sont des vaisseaux de distribution (elles apportent le sang aux organes). Leur diamètre est compris entre 1 cm et 0.3 mm. Elles ont un rôle très actif dans la vasoconstriction mais elles sont moins extensibles que les artères élastiques. Les artérioles qui ont un diamètre se situant entre 0.3 mm et 10 µm, sont les plus petites artères. Elles se jettent dans les lits capillaires qui alimentent les tissus. Les artérioles se contractent et se dilatent pour permettre l écoulement du sang dans les capillaires. À un plus haut niveau, le système cardiovasculaire peut être considéré à travers 3 familles d artères: 1. Cérébrales 2. Coronaires 3. Périphériques (membres inférieurs et supérieurs, artères digestives, rénales,... ) Ce travail concernant les artères des membres inférieurs et le réseau des coronaires, les paragraphes suivants présentent une description succincte de ces deux réseaux afin de mieux appréhender par la suite les difficultés de l extraction de ces structures et faciliter l interprétation des résultats Réseau périphérique des membres inférieurs La figure 1.1 présente le système cardiovasculaire dans son ensemble. L aorte se divise en artères iliaques primitives droite et gauche au niveau du carrefour aortique. Chaque artère iliaque primitive se divise en artère iliaque externe et artère iliaque interne. Puis l artère iliaque externe se continue par les artères fémorales profonde et superficielle. L artère fémorale superficielle se prolonge avec l artère poplitée, qui se scinde ensuite pour donner naissance aux artères tibiales et péronières [41]. Toutes les artères des membres inférieurs peuvent être explorées: aorte abdominale, artères iliaques, fémorales, poplitées, tibiales, péronières, etc.). La particularité de ces artères est qu elles sont relativement peu sinueuses lorsqu elles sont saines et ne sont pas mobiles comme les structures coronaires (figure 1.2). 20